半固态反挤压ZCuSn10P1铜合金轴套组织演变及力学性能研究

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金属半固态成形技术具有凝固成形和塑性成形的优点,能够减少铸造过程中产生的缩松、缩孔等缺陷,因此得到了广泛的应用。ZCu Sn10P1锡青铜具有耐磨性好、耐腐蚀性好、力学性能优良等特点,被广泛用于汽车、高铁和船舶等设备零件的制造。利用传统铸造成形方法制备的铜合金轴套易出现夹杂、氧化和裂纹等问题,而半固态成形技术则有望减少铜合金轴套零件缺陷,提高材料利用率。本文以ZCu Sn10P1铜合金作为研究对象,采用SIMA法制备半固态浆料,利用反挤压的方式进行轴套的挤压成形,研究了制浆过程中冷轧变形量、等温温度和保温时间对半固态轴套件组织和力学性能的影响规律。此外,对半固态反挤压轴套进行了固溶时效处理,重点研究了固溶温度对轴套零件组织和力学性能的影响规律。本文的主要研究内容及结论如下:(1)设计并制造了一套反挤压成形模具进行铜合金轴套零件成形。根据轴套零件的形状和尺寸,对反挤压凸模和凹模进行了详细设计、校对,并进行了模具制造和试模。实验证明,采用反挤压模具并选用合理的成形工艺参数挤压得到的轴套零件组织均匀性较好,上部和底部基本不存在液相偏析。(2)研究了制浆过程中冷轧变形量、等温温度和保温时间对反挤压铜合金轴套微观组织和力学性能的影响规律。结果表明:随着变形量的增加,轴套固相颗粒平均晶粒尺寸及形状因子呈现先减小后增加;布氏硬度先升高后降低,抗拉强度先增大再减小,延伸率先减小后增加。随着等温温度的增加,晶粒尺寸逐渐增加,形状因子先减少再增加;布氏硬度先增加后降低,抗拉强度先增加后降低,延伸率一直增加。随着保温时间的增加,平均晶粒尺寸逐渐增加,形状因子先减少在增加;布氏硬度、抗拉强度均先增加后降低,延伸率逐渐增加。在变形量为30%、等温温度为900℃,保温时间为20 min时,反挤压轴套零件具有较均匀的组织和较好的力学性能,此时纵向(位置1~4)的晶粒尺寸分别为60.60μm、60.28μm、59.51μm、61.10μm,形状因子分别为1.29、1.24、1.26、1.27,液相率分别为14.41%、14.37%、14.33%、14.30%,零件纵向平均布氏硬度为137 HBW,抗拉强度为407 MPa,延伸率为7.6%。(3)研究了固溶时效工艺对轴套组织和力学性能的影响规律。随着固溶温度逐渐升高,轴套固相颗粒平均晶粒尺寸先增大后减小,形状因子先减小后增加;布氏硬度先增加后减小;抗拉强度先增大后减小,延伸率逐渐增加,耐腐蚀性能先增加后减小。最佳的固溶时效工艺为700℃固溶1h水淬,350℃时效1h,此时,晶粒尺寸为90.7μm,形状因子为1.35,抗拉强度为422 MPa,延伸率为10.7%,布氏硬度152 HBW。(4)固溶时效处理能够有效的促进半固态组织中Sn元素向初生相α-Cu中扩散固溶,初生相α-Cu中Sn元素含量由1.5%增加到9.64%,提高了轴套组织及成分的均匀性,减少晶间偏析,使材料的综合性能得到提高。
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